三維GIS+BIM技術(shù)在大型復(fù)雜樞紐工程施工管理中的應(yīng)用研究

牛海波 張玉明

摘要：現(xiàn)代隨著科技的發(fā)展，互通樞紐的設(shè)計(jì)偏向于空間交叉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層數(shù)多、匝道交叉口多等特點(diǎn)，同時(shí)樞紐往往要跨越既有交通路線，這樣就帶來了施工組織難度高等問題，中大型互通樞紐的施工組織管理尤其復(fù)雜。因此，此類中大型樞紐工程的施工方案如何組織，項(xiàng)目成功的的關(guān)鍵目標(biāo)所在。

浙江省杭州灣大橋北接線（二期）工程TJ03合同段洪溪樞紐工程為混合型樞紐式互通立交，與東側(cè)的申嘉湖高速相連組成復(fù)合式互通，樞紐位于杭嘉湖平原村鎮(zhèn)交叉部，地方道路、河流、溝渠縱橫交錯(cuò)；同時(shí)與高壓線、12處與西氣東輸、川氣東送燃?xì)夤艿老嗷ソ徊嬉约?處上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分帶位置的橋梁下部結(jié)構(gòu)施工、跨高速孔位梁板安裝施工以及后期橋面系施工直接影響申嘉湖高速的安全運(yùn)營。

通過采用三維GIS技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在地球空間中集成項(xiàng)目路基、路面、橋梁、立交樞紐及沿線設(shè)施的三維模型以及投資/成本、計(jì)劃進(jìn)度、質(zhì)量、安全、物資、計(jì)量、視頻監(jiān)控等信息，形成項(xiàng)目多維BIM信息，為各級(jí)用戶和項(xiàng)目管理者生動(dòng)、形象、直觀、可視化的呈現(xiàn)工程的三維形象和周圍地貌的空間場(chǎng)景，項(xiàng)目工程的形象進(jìn)度、質(zhì)量安全的監(jiān)控信息，物資的追溯信息等，為管理者決策和指揮提供支持。

關(guān)鍵詞：樞紐三維GIS BIM項(xiàng)目管理

建設(shè)現(xiàn)代交通，是社會(huì)民生與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是國家推進(jìn)發(fā)展全局戰(zhàn)略的迫切要求。為了適應(yīng)國際經(jīng)濟(jì)新格局的變化，推進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家提出“一帶一路”的戰(zhàn)略思想。為了發(fā)揮現(xiàn)代交通在經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局中的帶動(dòng)作用，利用GIS+BIM技術(shù)等技術(shù)手段是實(shí)現(xiàn)交通現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。

隨著國家五縱七橫高速公路網(wǎng)的建成和省級(jí)高速公路網(wǎng)的完善，新建道路中互通樞紐工程越來越多，所占比重越來越大，互通樞紐工程的復(fù)雜性往往成為整個(gè)工程進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理的重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

現(xiàn)代隨著科技的發(fā)展，互通樞紐的設(shè)計(jì)偏向于空間交叉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層數(shù)多、匝道交叉口多等特點(diǎn)，同時(shí)樞紐往往要跨越既有交通路線，這樣就帶來了施工組織難度高等問題，中大型互通樞紐的施工組織管理尤其復(fù)雜。因此，此類中大型樞紐工程的施工方案如何組織，項(xiàng)目成功的的關(guān)鍵目標(biāo)所在。

隨著高速公路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，未來工程中類似于洪溪樞紐的互通樞紐工程將越來越多，本項(xiàng)目的研究成果可以全面推廣應(yīng)用到互通樞紐及地形復(fù)雜的山區(qū)高速公路建設(shè)中。

一、洪溪樞紐工程特點(diǎn)

浙江省杭州灣大橋北接線（二期）工程TJ03合同段洪溪樞紐工程為混合型樞紐式互通立交，與東側(cè)的申嘉湖高速相連組成復(fù)合式互通，樞紐位于杭嘉湖平原村鎮(zhèn)交叉部，地方道路、河流、溝渠縱橫交錯(cuò)；同時(shí)與高壓線、12處與西氣東輸、川氣東送燃?xì)夤艿老嗷ソ徊嬉约?處上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分帶位置的橋梁下部結(jié)構(gòu)施工、跨高速孔位梁板安裝施工以及后期橋面系施工直接影響申嘉湖高速的安全運(yùn)營。

洪溪樞紐工程的特點(diǎn)與難點(diǎn)：

（1）樞紐施工范圍多處橫穿地方道路、高壓線路及地方河道，施工環(huán)境條件復(fù)雜；

（2）樞紐規(guī)模大，匝道8條，施工工序平面及空間交叉復(fù)雜；

（3）樞紐以橋梁施工為主，有鋼混疊合梁、現(xiàn)澆箱梁以及預(yù)制小箱梁，其中預(yù)制箱梁板種類繁多、規(guī)格多樣，需精準(zhǔn)安排施工；

（4）樞紐內(nèi)路基施工均需進(jìn)行軟基處理，有效控制路基填筑沉降是路基施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)；

（5）樞紐內(nèi)施工路線與燃?xì)夤芫€存在12處下穿交叉，5處上跨申嘉湖高速施工，申嘉湖高速兩側(cè)路基拼寬施工，施工過程中均存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

二、三維GIS及BIM介紹

（一）GIS介紹

GIS（Geographic Information System，譯為“地理信息系統(tǒng)”。GIS是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。

三維GIS是布滿整個(gè)三維空間的GIS，與傳統(tǒng)的二維GIS或2.5維GIS明顯不同，三維GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市與交通工程、采礦、地質(zhì)和石油領(lǐng)域。采用三維GIS技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)在交通工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在地球空間中集成項(xiàng)目路基、路面、橋梁、涵洞、隧道、立交及沿線設(shè)施的三維模型以及投資、計(jì)劃進(jìn)度、質(zhì)量、安全、物資、計(jì)量、視頻監(jiān)控等信息，形成項(xiàng)目多維BIM信息，能夠?yàn)楦骷?jí)用戶和項(xiàng)目管理者生動(dòng)、形象、直觀、可視化的呈現(xiàn)工程的三維形象和周圍地貌的空間場(chǎng)景，項(xiàng)目工程的形象進(jìn)度、質(zhì)量安全的監(jiān)控信息，物資的追溯信息，農(nóng)民工的分布等，為管理者決策和指揮提供支持。

（二）BIM介紹

Building Information Model（或Modeling）譯為“建筑信息模型”，美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)（National BIM Standard）BIM定義是設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化表示，可以用作設(shè)施信息的共享知識(shí)資源，成為設(shè)施全生命期決策的可靠基礎(chǔ)，繼CAD技術(shù)之后建筑行業(yè)信息化最重要的新技術(shù)。

BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象（如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息。借助這個(gè)包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)[2]。

美國是首批應(yīng)用BIM的國家之一。2002年以來，BIM技術(shù)發(fā)展迅速，不僅僅體現(xiàn)在工程領(lǐng)域，美國很多政府部門也積極應(yīng)用BIM技術(shù)來協(xié)助他們的工作。

2010年，日本的國土交通省宣布推行BIM技術(shù)，在日本，BIM應(yīng)用目前已擴(kuò)展到全國范圍，并上升到政府主導(dǎo)層面。

歐洲、韓國也有多家政府機(jī)構(gòu)致力于BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定。

我國對(duì)BIM理念和技術(shù)的應(yīng)用研究是從新世紀(jì)才開始的，到目前為止仍然處于初級(jí)階段。從引入到現(xiàn)在，BIM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還處在探索中。住建部《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，BIM技術(shù)被列為重要的推廣應(yīng)用技術(shù)，2015年7月2日，住建部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，要求到2020年年底，建筑行業(yè)甲級(jí)勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級(jí)、一級(jí)房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用[3]。

三、洪溪樞紐三維GIS+BIM應(yīng)用介紹

（一）本項(xiàng)目應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目以三維地理信息系統(tǒng)（GIS）為核心建設(shè)BIM管理的展示平臺(tái)，主要涉及以下幾方面技術(shù)的整合與集成：

（1）建立洪溪樞紐工程三維場(chǎng)景空間對(duì)象數(shù)據(jù)庫，呈現(xiàn)洪溪樞紐工程路基、路面、互通立交、附屬設(shè)施等公路交通基礎(chǔ)設(shè)施及其周圍地貌，提供三維漫游、飛行瀏覽、快速定位、圖層管理、信息查詢、數(shù)據(jù)編輯、空間測(cè)量、空間分析、數(shù)據(jù)管理、三維可視化設(shè)計(jì)等功能，將分散的地理信息資源和建筑模型整合在統(tǒng)一的平臺(tái)之上，并進(jìn)行充分的挖掘、加工和利用，為項(xiàng)目建設(shè)管理提供可視化服務(wù)。

（2）以三維數(shù)字模型建模技術(shù)為依托，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，通過Autodesk 3DMAX、Autodesk Revit等軟件對(duì)道路全線進(jìn)行工程部位多級(jí)分層三維建模，并將三維模型放入地理信息系統(tǒng)中，依托二三維GIS引擎平臺(tái)進(jìn)行加載、組合、渲染、展示。

（3）依托視頻流媒體技術(shù)，對(duì)于安裝了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的施工點(diǎn)，在三維場(chǎng)景中集成現(xiàn)場(chǎng)視頻采集設(shè)備的接口，并獲取實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

（4）依托工作流管理技術(shù)，對(duì)施工過程中的審批流程提供發(fā)起、審批、審核等功能支持，并依托數(shù)據(jù)庫技術(shù)將流程狀態(tài)、表單、結(jié)果與工程部位進(jìn)行綁定，提供便捷的搜索、查看功能。

（5）依托海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將工程項(xiàng)目涉及的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)規(guī)劃管理，對(duì)領(lǐng)域內(nèi)部信息與共享信息的分類管理、雙向交換、有效利用提供技術(shù)支撐。

（6）依托數(shù)據(jù)庫技術(shù)將成本、計(jì)劃、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、計(jì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)、文檔、表單與工程部位進(jìn)行集成，并結(jié)合三維工程模型，形成多維立方體分析模型，為項(xiàng)目管理提供數(shù)據(jù)支撐以及便捷的文檔搜索、查看功能。

（7）依托數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)信息分專業(yè)、分階段、分類別構(gòu)建組織形式，建立數(shù)據(jù)中心，對(duì)數(shù)據(jù)信息的收集、分析、整合、交換、共享、管理提供支撐。

（二）三維GIS+BIM應(yīng)用重點(diǎn)研究

（1）建立全線三維空間場(chǎng)景及BIM模型

建立工程沿線的三維場(chǎng)景，加入周圍已有道路、管線、管道、河道、高壓線等實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，可以直視相互碰撞或干擾情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

對(duì)本工程工程實(shí)體工程精確到分項(xiàng)工程進(jìn)行精細(xì)化建模，點(diǎn)擊構(gòu)件可顯示相關(guān)構(gòu)件屬性，包括但不限于構(gòu)件尺寸、材質(zhì)、材料信息、資料信息、進(jìn)度信息。

可以標(biāo)示出設(shè)計(jì)方提供的地質(zhì)分層信息，可觀察樁基不同深度土層情況。

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，模擬出構(gòu)件平面及空間位置，顯示幾何尺寸、標(biāo)高、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，核查設(shè)計(jì)圖紙中的平面空間位置數(shù)據(jù)未標(biāo)注或矛盾點(diǎn)情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)遺漏、錯(cuò)誤或不規(guī)范等問題。

可對(duì)施工計(jì)劃以及施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行4D模擬，直觀可視現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際進(jìn)展情況。

（2）基于三維BIM模型的進(jìn)度管理

將4D模型細(xì)化到每月計(jì)劃的施工工序內(nèi)容及相對(duì)應(yīng)的計(jì)劃工程量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)展情況進(jìn)行計(jì)劃反饋和更新，動(dòng)態(tài)展示總體進(jìn)度計(jì)劃[4]。

可視化實(shí)際各項(xiàng)工序的進(jìn)展情況，通過對(duì)比和分析，便捷獲取進(jìn)度的超前和滯后狀態(tài)以及完成工程量的差異狀態(tài)，提供相關(guān)進(jìn)度分析數(shù)據(jù)，根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)情況優(yōu)化進(jìn)度組織方案[5]。

通過進(jìn)度計(jì)劃時(shí)間安排，預(yù)警施工進(jìn)度計(jì)劃與管線保護(hù)、遷移時(shí)間，梁板安裝與下部結(jié)構(gòu)施工周期，跨高速施工周期與重大節(jié)假日等時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

（3）基于三維BIM模型的質(zhì)量管理

通過連接外掛每個(gè)構(gòu)件對(duì)應(yīng)鋼材、鋼絞線、水泥、錨夾具、波紋管等原材料質(zhì)保單信息。通過連接外掛每個(gè)構(gòu)件對(duì)應(yīng)地材、鋼材、鋼絞線、水泥、錨夾具、波紋管等原材料試驗(yàn)檢測(cè)及抽檢信息。通過連接外掛每個(gè)構(gòu)件對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度報(bào)告、鋼筋保護(hù)層檢測(cè)信息。

采用不同顏色顯示單個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量合格或不合格情況。

鏈接現(xiàn)場(chǎng)工序驗(yàn)收表、影像信息等，直觀反映各道工序質(zhì)檢施工人員、監(jiān)理人員信息以及驗(yàn)收結(jié)果情況。

（4）基于三維BIM模型的安全管理

針對(duì)本項(xiàng)目重點(diǎn)安全防控區(qū)域，安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)。設(shè)置重點(diǎn)安全區(qū)域的紅線指標(biāo)，在達(dá)到紅線范圍時(shí)具有平臺(tái)預(yù)警功能。

（5）基于三維BIM模型的成本管理

采集各時(shí)間段的進(jìn)場(chǎng)材料及庫存材料數(shù)量，與之對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際完成構(gòu)件所需材料對(duì)比，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)材料盈虧情況。對(duì)比設(shè)計(jì)用量與實(shí)際用量情況，分析偏差原因，優(yōu)化施工工藝。

（6）基于三維BIM模型的施工模擬

對(duì)不同部位與管線交叉處施工組織方案先期進(jìn)行虛擬演示對(duì)比，擇優(yōu)制定施工方案。通過對(duì)不同施工及交通組織方案的虛擬演示，優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工方案，減少施工安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)施工組織方案模擬現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械設(shè)備布置、臨建設(shè)施布置模擬，優(yōu)化施工工序。根據(jù)BIM空間坐標(biāo)信息，結(jié)合GPS坐標(biāo)進(jìn)行精確放樣。

四、結(jié)束語

本項(xiàng)目通過三維GIS+BIM平臺(tái)的在中大型樞紐工程中的應(yīng)用研究，解決了中大型樞紐工程中在傳統(tǒng)施工項(xiàng)目管理中平面化數(shù)據(jù)的困擾，通過構(gòu)建三維GIS空間場(chǎng)景結(jié)合精細(xì)模型，良好的解決了樞紐施工與地方道路、高壓線路及地方河道的空間可視化布局；通過BIM精細(xì)建模，有效的對(duì)預(yù)制箱梁板種類繁多、規(guī)格多樣的問題進(jìn)行了構(gòu)件化屬性管理；通過BIM施工模擬技術(shù)，精確模擬了上跨申嘉湖高速施工現(xiàn)場(chǎng)，有效避免了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

GIS+BIM技術(shù)以形象的三維空間場(chǎng)景加三維模型作為工程的信息載體，方便了建設(shè)項(xiàng)目各階段、各專業(yè)以及相關(guān)人員之間的溝通，減少了建設(shè)項(xiàng)目因?yàn)樾畔⑦^載或者信息流失而帶來的損失，提高了建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)工作效率以及整個(gè)建筑過程的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明皓.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論.重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.10：1-21.

[2]韓維綱.基于信息技術(shù)進(jìn)步及管理模式創(chuàng)新的BIM應(yīng)用與發(fā)展方向.福建建材，2013-01-20.

[3]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》.

[4]熊煥軍.基于BIM的大型施工項(xiàng)目管理技術(shù)研究.2016.

[5]季辰.BIM技術(shù)在港口工程施工進(jìn)度管理中的應(yīng)用研究.2016.

（作者單位：浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司1

嘉興交通建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司2）